[发明专利]碳纤维复合材料太赫兹趋肤深度测量方法

摘要

提供一种基于太赫兹时域光谱技术的碳纤维复合材料太赫兹趋肤深度测量方法，包括下列步骤：建立模型；趋肤深度公式推导；待测样件电导率测量；趋肤深度计算。该方法可以有效定量计算出太赫兹波对碳纤维复合材料的穿透深度，以此来表征太赫兹对碳纤维复合材料的检测能力。

主权项

1.碳纤维复合材料太赫兹趋肤深度测量方法，包括下列步骤步骤1：建立模型建立三维直角坐标系，x、y、z分别表示三个坐标轴方向，将纤维方向与x轴方向保持一致并假设太赫兹波为TEM均匀平面波，从真空中垂直入射到碳纤维复合材料表面，且电场偏振方向与纤维方向垂直，并将碳纤维复合材料视作等效媒质；步骤2：趋肤深度公式推导由媒质的本构关系和麦克斯韦方程组计算得到关于电场E的波动方程，再根据近似关系计算出太赫兹波在碳纤维复合材料中的衰减系数α，最后由衰减系数α即得到趋肤公式；具体推导计算过程如下：(1)媒质的本构关系为：式中，D为电位移矢量，ε为介电常数，E为电场强度，B为磁感应强度，μ为磁导率，H为磁场强度，J为电流密度，σ为电导率；将上述媒质的本构关系代入麦克斯韦第一、第二方程组其中ω为电磁波频率，得到：消去磁场H，得到关于电场E的波动方程：进一步整理得到：(2)由于电场E只在y方向上有分量，故设电场E＝e_yE_me^jωt‑γw，γ＝α+jβ，其中e_y表示y方向上的单位电量，E_m表示电场幅值，w是样本在z轴方向上的厚度，γ为太赫兹波在碳纤维复合材料中的传播常数，α为衰减常数，β为相位常数；由其中E_z为电场沿z方向的分量，为电导率张量，式(5)变为：两边消去E并化简，得：由于在该模型中，纤维方向与x轴平行，且电场偏振方向与纤维方向垂直，因此只有沿y方向的分量，故有其中σ_xx、σ_yy、σ_zz分别为电导率张量在x、z、y三个方向的分量，E_y是电场沿y方向的分量，因此，式(7)变为因为σ_yy≈6～100S/m，故式(9)简化为：由传播常数γ的实部得到太赫兹波在碳纤维复合材料中的衰减系数α为：(3)由衰减系数α得到其趋肤深度δ公式：将传播常数γ代回电场表达式E＝e_yE_me^jωt‑γz，得到电场在z方向上的衰减和相位变化，省略相位常数，电场幅值用下式表示：步骤3：待测样件电导率测量首先未放置样件用太赫兹时域光谱仪进行一次数据采集，作为参考数据；再放置待测碳纤维复合材料样件不改变扫描点采集一次数据，测得的数据作为实验数据；忽略空气中水分子对太赫兹波的吸收损耗，将未放置样件时太赫兹时域光谱仪的THz‑TDS接收端接收到的信号作为放置样件实验发射端的信号；将参考数据和实验数据的时域信号分别进行快速傅里叶变换，得到两组频域信号，求模后将对应时刻的值相除，得到电场幅值的衰减值；计算电场幅值衰减平均值，将该平均值作为e^‑αz代入式(13)即得到σ_yy；步骤4：趋肤深度计算将步骤3测量得到的σ_yy代入式(12)即计算得到不同频率下的太赫兹波趋肤深度δ，以此表征太赫兹波对碳纤维复合材料的检测深度。